FR3051018A1 - - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un système de gestion thermique de système de post-traitement (ATS), l'ATS comprenant un tuyau (P) destiné à être connecté à un collecteur d'échappement (EP) d'un moteur à combustion interne et au moins un dispositif de purification (DOC, SCR) connecté de manière opérationnelle audit tuyau afin de réduire les polluants contenus dans un courant de gaz d'échappement produit par ledit moteur à combustion interne (E), le système comprenant un circuit thermodynamique de pompe à chaleur ayant un condenseur (réchauffeur d'échappement) agencé sur ledit tuyau en amont dudit dispositif de purification afin de chauffer ledit courant de gaz d'échappement.

Description

SYSTEME DE GESTION THERMIQUE D'ATS Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine des systèmes de posttraitement et, en particulier, le domaine de leur système de gestion thermique.
Description de la technique antérieure
De nombreuses réglementations requièrent une augmentation de l'efficacité des ATS également à basse température. Un ATS comprend un tuyau destiné à être connecté au collecteur d'échappement d'un moteur à combustion interne et un ou plusieurs dispositifs de purification connectés de manière opérationnelle audit tuyau pour recevoir et traiter les polluants contenus dans le courant de gaz d’échappement produit par le moteur à combustion interne. Ils sont habituellement agencés en série et peuvent être des DOC (acronyme anglais du terme « Diesel Oxydation Catalyst »), DPF (acronyme anglais du terme « Diesel Particulate Filter »), SCR (acronyme anglais du terme « Sélective Catalytic Réduction »), CUC. Les CUC ou ASC sont des abréviations de fournisseur concernant un « catalyseur de rejets d'ammoniac », à savoir des dispositifs pour neutraliser les fuites d'ammoniac. Tous ces dispositifs sont bien connus. Ces dispositifs sont souvent sensibles à leur propre température. Par conséquent, leur efficacité est compromise à basse température durant le démarrage à froid du moteur à combustion interne. Aux basses températures, non seulement certains des dispositifs ATS sont moins efficaces, mais d'autres problèmes peuvent survenir, comme par exemple la formation de cristaux de l'urée pulvérisée en amont du SCR.
On connaît plusieurs systèmes pour augmenter rapidement la température des dispositifs ATS afin d'améliorer leur efficacité.
Les stratégies pour augmenter rapidement la température d'un ATS sont essentiellement au nombre de trois : l'étranglement du collecteur d'échappement du moteur à combustion afin de générer de la chaleur par l'augmentation de la perte de pompage du moteur ; le brûlage du carburant par ce que l'on appelle des post-injections ou par l'intermédiaire d'un injecteur de carburant agencé à l'intérieur du courant de gaz d'échappement ; le chauffage d’au moins une partie de l'ATS au moyen d'un réchauffeur électrique. Les deux premières solutions sont révélatrices de techniques fortement dissipatives avec une consommation élevée de carburant. La dernière technique utilise de l'électricité qui est une énergie de plus grande valeur pour produire de la chaleur, qui est une énergie de moins grande valeur. Ainsi, également la troisième stratégie n'est pas efficace en termes de consommation de carburant. Résumé de l'invention L'objet principal de la présente invention consiste à mettre à disposition un système de gestion thermique d'ATS capable d'atteindre une plus grande efficacité de chauffage en comparaison avec les solutions connues. L'idée principale de la présente invention consiste à éviter l'adoption de techniques fortement dissipatives pour chauffer l'ATS, par mise en œuvre d'une technique thermodynamiquement efficace. Plus particulièrement, l’idée consiste à mettre en pratique un circuit de pompe à chaleur ayant un condenseur agencé en amont d'un dispositif de purification afin de chauffer le courant de gaz d'échappement avant son introduction dans le dispositif de purification lui-même et deux évaporateurs ou plus, au moins l'un desdits deux évaporateurs ou plus comprenant des moyens de dérivation pour exclure la contribution thermique dudit au moins un évaporateur.
De préférence, le compresseur utilisé pour convoyer la chaleur vers ledit dispositif de purification ATS est entraîné par le moteur à combustion interne.
Dans un cycle de pompe à chaleur, le contenu calorifique est extrait par ce que l’on appelle une source froide et convoyé vers ce que l'on appelle une source chaude afin que sa température soit maintenue supérieure à la température de la source froide.
Il est préférable de sélectionner, en tant que source froide, les sources qui affectent moins la température des gaz d'échappement au moins avant de croiser l’ATS et qui ont la température la plus élevée.
Par exemple, l'eau du moteur n'affecte pas la température des gaz d'échappement d'une manière significative.
Par exemple, une fois que les gaz d'échappement ont déjà croisé l'ATS, au moins une partie de leur contenu calorifique peut être extraite avant leur libération dans l'atmosphère ambiante, afin que les gaz d'échappement « frais » produits par le moteur à combustion, qui vont croiser le dispositif de purification ATS, soient chauffés.
Il devrait être clair que le chauffage des gaz d'échappement peut être effectué au niveau du collecteur d'échappement ou le long de l'ATS avant que les gaz entrent dans des dispositifs sensibles à la température tels que les DOC et/ou SCR.
Brève description des dessins L'invention apparaîtra clairement à partir de la description détaillée qui suit, présentée à titre de simple illustration et d'exemple non limitatif, qu'il convient de lire en référence aux figures de dessins jointes, dans lesquelles : - la Figure 1 montre un croquis d’un moteur à combustion interne et de son ATS doté d'un dispositif de gestion thermique selon la présente invention ; - la Figure 2 montre une légère modification du schéma de la Figure 1.
Des numéros et lettres de référence identiques sur les figures désignent des parties identiques ou fonctionnellement équivalentes.
Conformément à la présente invention, l'expression « deuxième élément » n'implique pas la présence d'un « premier élément », et les termes premier, deuxième, etc., sont utilisés uniquement pour améliorer la clarté de la description et ils ne devraient pas être interprétés d'une manière limitative.
Description préférée des modes de réalisation préférés
Conformément à la Figure 1, un moteur à combustion interne E, de préférence diésel, a un tuyau d'admission IP pour introduire de l’air frais dans le moteur à combustion et un tuyau d’échappement EP pour convoyer les gaz d'échappement en haut de l'ATS. L’ATS selon la présente invention peut comprendre, selon la direction d'écoulement des gaz d’échappement, un certain nombre de dispositifs, indiqués sur la Figure 1 par « composant ATS optionnel 1 », un dispositif sensible à la température, par exemple un SCR, et d’autres dispositifs optionnels indiqués « composant ATS optionnel 2 ».
Conformément à la présente invention, un « échangeur de chaleur » est agencé en amont du dispositif sensible à la température, en particulier du SCR.
Un tel échangeur de chaleur représente un condenseur d’un circuit de pompe à chaleur. Il s’agit par conséquent d’un échangeur de chaleur milieu/gaz.
Le milieu peut être n'importe quelle substance convenable capable de fonctionner comme un milieu thermodynamique compatible avec la température la plus élevée atteinte dans l'ATS.
Le condenseur, en fonction d’un circuit de pompe à chaleur, constitue la source chaude du circuit de pompe à chaleur.
Conformément à la présente invention, n’importe quel dispositif de refroidissement peut être convenablement utilisé pour représenter ce que l'on appelle la « source froide » du circuit de pompe à chaleur. Une source froide peut être le courant de gaz d’échappement lui-même en aval du dispositif ATS devant être chauffé. Par conséquent, un échangeur de chaleur convenable peut être agencé en conséquence afin de définir un évaporateur du circuit de pompe à chaleur.
Conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, la source froide est l'eau du moteur, et donc un échangeur de chaleur peut être couplé thermiquement au circuit de refroidissement du moteur, par exemple en amont ou au niveau du refroidisseur à eau du moteur.
Le terme « amont » est considéré selon la direction de la circulation d'eau de refroidissement du moteur.
Conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention, la source froide est le refroidisseur intermédiaire CAC d'un dispositif compresseur d’alimentation, par exemple d'un turbocompresseur. Ainsi, un échangeur de chaleur convenable est couplé thermiquement au refroidisseur intermédiaire.
Conformément à un troisième mode de réalisation de l'invention, la source froide est constituée des gaz d’échappement du moteur à combustion, interceptés en n'importe quel point en aval du dispositif ATS devant être chauffé, où le terme « aval » est considéré selon la circulation du courant de gaz d'échappement.
Conformément à un autre mode de réalisation de l'invention, la source froide est l'air ambiant avec un échangeur de chaleur air/milieu dédié.
On comprend que l’agencement de la source froide n'est pas particulièrement important.
Conformément à l’invention, deux ou plus des exemples ci-dessus de source froide sont mis en oeuvre. Dans ce cas, des branches de dérivation (non représentées) et/ou des vannes sont agencées sur le circuit thermodynamique afin de contourner/déconnecter une ou plusieurs desdites sources froides.
Conformément à une stratégie de commande préférée du système, une fois que le dispositif ATS devant être chauffé a atteint un premier seuil de température, une ou plusieurs desdites sources froides est/sont contournée(s). Ensuite, une fois que le dispositif ATS devant être chauffé a atteint un deuxième seuil de température supérieur audit premier seuil, le compresseur est désactivé, par exemple par déconnexion de sa connexion avec le moteur à combustion interne.
Le compresseur, qui est connu en soit, est de préférence entraîné par le moteur à combustion interne E par l'intermédiaire d'une jonction connectable afin que le compresseur soit déconnecté quand la température du dispositif ATS dépasse un seuil prédéfini.
En particulier, le compresseur peut être entraîné par le moteur à combustion interne, au moyen d'engrenages ou d’une courroie ou analogue.
Si l'on regarde la Figure 1, un « détendeur » est représenté sur la gauche du compresseur. Comme cela est habituel, il peut être remplacé par une vanne d’étranglement meilleur marché comme dans les circuits de pompe à chaleur habituels. Dans le cas de la mise en oeuvre d'un détendeur, celui-ci peut être réalisé sous la forme d'un couplage piston/cylindre connecté de manière opérationnelle au vilebrequin du compresseur.
Les sources froides peuvent être réciproquement connectées soit en série soit en parallèle soit conformément à un schéma mixte.
Par exemple, le « post-échangeur de chaleur », agencé en aval du SCR, qui représente le dispositif ATS devant être chauffé, est connecté au circuit thermodynamique de pompe à chaleur en parallèle par rapport au CAC et au « refroidisseur de moteur ». Deux vannes V sont agencées afin de déconnecter le « post-échangeur de chaleur » du circuit thermodynamique de pompe à chaleur.
Conformément à encore un autre mode de réalisation préféré de l’invention, qui peut être combiné avec ceux décrits ci-dessus, une fois que le « post-échangeur de chaleur » est déconnecté du circuit thermodynamique de pompe à chaleur, il peut être exploité pour fournir de la chaleur à un WHR (récupérateur de chaleur) qui met en pratique un cycle thermodynamique direct destiné à produire un travail, contrairement à la pompe à chaleur ci-dessus qui est destinée à utiliser un travail pour transférer la chaleur. Dans le cas où le circuit de pompe à chaleur et le circuit WHR adoptent le même milieu thermodynamique, ceci est aisément effectué, et sinon le circuit de pompe à chaleur et le circuit WHR sont indépendants et sont séparés l'un de l'autre. Dans le cas où le circuit de pompe à chaleur et le WHR partagent le même échangeur de chaleur, des vannes à trois voies sont adoptées pour déconnecter ledit échangeur de chaleur dudit circuit et le connecter avec l'autre.
Au vu du positionnement du « post-échangeur de chaleur », le WHR est habituellement appelé dispositif de fond, parce que l'échangeur de chaleur devant extraire la chaleur des gaz d'échappement est agencé en aval de la turbine du turbocompresseur.
La Figure 2 montre la connexion du post-échangeur de chaleur avec un WHR.
La Figure 2 divulgue aussi qu’il est possible de commuter la connexion du réchauffeur de gaz d'échappement avec un refroidisseur, de préférence du type air/milieu, mis en œuvre afin de refroidir les gaz d'échappement dans le cas où ils dépassent une température prédéterminée qui pourrait conduire à un endommagement du SCR.
Grâce à la présente invention, la chaleur à basse température du refroidisseur d'air de suralimentation CAC ou du refroidisseur de moteur suffit pour que la température des gaz d'échappement atteigne environ 200 °C et plus, afin que soit obtenue une bonne performance de DOC et/ou SCR pour la conversion de NO en N02, la conversion de HC ou le stockage de NOx, ou afin que soit évitée la formation de cristaux d'urée (AdBlue) introduite.
La présente solution permet le convoyage de davantage de chaleur dans les gaz d’échappement pour la même consommation de carburant. Ceci signifie que le présent dispositif/procédé est plus efficace que, par exemple, un brûleur, un brûlage catalytique, un étranglement, des catalyseurs chauffés, ou n'importe quelle mesure de chauffage actif connue à ce jour. Elle permet par conséquent un chauffage avec un impact C02 le plus faible possible.
Il devrait être clair qu'entre le « réchauffeur d’échappement », c'est-à-dire le condenseur du réchauffeur de pompe à chaleur, et le moteur à combustion, il peut y avoir d'autres composants ATS, les « composants ATS optionnels 1 ». Egalement, après le dispositif devant être chauffé, SCR ou DOC, d'autres composants de l'ATS peuvent être présents. Sur la Figure 1, ces composants sont indiqués par « composants ATS optionnels 2 ». Bien évidemment, ces autres composants peuvent tirer avantage de la présence du « réchauffeur d'échappement » en amont du SCR/DOC.
La présente invention peut être mise en oeuvre non seulement lors du démarrage à froid d'un moteur à combustion interne, mais aussi après des arrêts courts ou durant un fonctionnement sous faible charge.
Il convient de comprendre que tous les modes de réalisation et/ou caractéristiques isolés divulgués peuvent être combinés entre eux. De plus, les caractéristiques divulguées dans l'arrière-plan de la technique antérieure sont introduites uniquement afin de permettre une meilleure compréhension de l'invention, et non comme une déclaration concernant l'existence d'une technique antérieure connue. Egalement, les caractéristiques décrites dans l'arrière-plan de la technique antérieure peuvent être considérées en combinaison avec celles mentionnées dans chaque mode de réalisation de la description détaillée. D'autres détails de mise en œuvre ne seront pas décrits, étant donné que l'homme du métier est capable de mettre en pratique l'invention à partir des enseignements de la description ci-dessus.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de gestion thermique d'ATS (système de posttraitement), l'ATS comprenant un tuyau destiné à être connecté à un collecteur d'échappement (EP) d'un moteur à combustion interne et au moins un dispositif de purification (DOC, SCR) connecté de manière opérationnelle audit tuyau afin de réduire les polluants contenus dans un courant de gaz d'échappement produit par ledit moteur à combustion interne (E), le système comprenant un circuit thermodynamique de pompe à chaleur ayant un condenseur (réchauffeur d'échappement) agencé sur ledit tuyau en amont dudit dispositif de purification afin de chauffer ledit courant de gaz d'échappement avant qu’il traverse ledit au moins un dispositif de purification (DOC, SCR), et caractérisé en ce qu'il comprend deux évaporateurs ou plus, au moins l’un desdits deux évaporateurs ou plus comprenant des moyens de dérivation pour exclure la contribution thermique dudit au moins un évaporateur.
  2. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel ledit circuit thermodynamique de pompe à chaleur a un compresseur couplé de manière à être entraîné par le moteur à combustion interne (E).
  3. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit moteur à combustion interne a un circuit de refroidissement et dans lequel ledit circuit thermodynamique de pompe à chaleur a un premier échangeur de chaleur, pour fonctionner comme un évaporateur, couplé thermiquement audit circuit de refroidissement afin que ledit circuit de refroidissement soit exploité comme une source froide.
  4. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit moteur à combustion interne a un compresseur et un refroidisseur intermédiaire (CAC) agencés pour refroidir l'air comprimé dirigé vers une admission de moteur et dans lequel ledit circuit thermodynamique de pompe à chaleur a un deuxième échangeur de chaleur, pour fonctionner comme un évaporateur, couplé thermiquement audit refroidisseur intermédiaire (CAC) afin que ledit refroidisseur intermédiaire soit exploité comme une source froide.
  5. 5. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel ledit circuit thermodynamique de pompe à chaleur a un troisième échangeur de chaleur, pour fonctionner comme un évaporateur, couplé thermiquement audit ATS en un point en aval dudit au moins un dispositif de purification (DOC, SCR) afin que la chaleur du courant de gaz d'échappement soit extraite avant sa libération dans l’atmosphère ambiante.
  6. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, quand deux évaporateurs ou plus sont mis en oeuvre, au moins l'un desdits évaporateurs est connecté parallèlement à un autre.
  7. 7. Moteur à combustion interne (E) comprenant un collecteur d'échappement et un ATS ayant un tuyau connecté audit collecteur d'échappement (EP), l'ATS ayant au moins un dispositif de purification (DOC, SCR) connecté audit tuyau afin de réduire les polluants contenus dans un courant de gaz d’échappement produit par ledit moteur à combustion interne (E), et le moteur comprenant en outre un système de gestion thermique pour commander la température dudit au moins un dispositif de purification (DOC, SCR) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
  8. 8. Moteur selon la revendication 7, comprenant en outre un récupérateur de chaleur (WHR) capable de produire un travail, comprenant, en tant que condenseur, ledit troisième échangeur de chaleur et dans lequel le troisième échangeur de chaleur est connecté audit circuit de pompe à chaleur ou audit WHR au moyen de vannes à trois voies.
  9. 9. Véhicule terrestre ou installation fixe comprenant le moteur à combustion interne selon les revendications 7 ou 8.
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